«Исследование динамической вязкости жидкости с помощью вискозиметра»

Всероссийский конкурс исследовательских работ учащихся

«ЮНОСТЬ, НАУКА, КУЛЬТУРА»

Направление: физика

Тема: «Исследование динамической вязкости жидкости с помощью вискозиметра»

Притиковская Ирина

МБОУ «ССШ№2», Северо – Енисейского района

11 класс

Научный руководитель:

Власова Лариса Валентиновна

Учитель физики МБОУ «ССШ№2»

г.п. Северо – Енисейский, 2022/2023 учебный год

Оглавление работы

I. Тезисы ......……………………………………………………………………………………2

II.Введение…………………………………………………………………………. ………….3

III. Основная часть

- Разновидности и сферы применения вискозиметров …………………………………… 4

- Явление внутреннего трения в жидкостях ……………………………………………… 4-5

IV. Практическая часть: проведение опытов, расчёт коэффициента динамической

вязкости жидкости…………………………………..………………………………………6-11

V. Заключение……………………………………………………………………………..11-12

VI. Список используемой литературы………………………………………………………..13

Введение

Истина — это то, что выдерживает проверку опытом.

А. Эйнштейн

Я очень люблю фруктовые и ягодные сиропы! Покупаю их в магазине, всегда стараясь разнообразить вкус. Видов сиропов, конечно, очень много: и производители разные, и вкусы, и цены. Как то раз приобрела бутылочку сиропа, а он такой густой оказался, что еле выливался из бутылки. В другой раз наоборот – жидковатый попался… Решила я узнать, как измерить «густоту» жидкости??? Существует ли какой то прибор? И нашла его в Интернете – ВИСКОЗИМЕТР [9] называется. Спросила у учителя - в школе такого прибора нет, и про вязкость мы ещё не изучали. Поэтому снова обратилась к сети Интернет и узнала, что с помощью этого прибора- вискозиметра - измеряется время истечения жидкостей и газов для дальнейшей оценки вязкости [6]. Обусловленные широтой и разнообразием областей применения, необходимость и практическая ценность вискозиметра неоспоримы! Существуют как стандартные, так и узкоспециализированные модели, разработанные исключительно для применения в конкретной области [7]. Вискозиметры применяют для:

• измерения динамической вязкости;

• измерения вязкости растворов;

• диагностических и экспериментальных исследований;

• точности подбора материалов для смесей, растворов, покрытий;

• определения качества масел, жидкостей, продуктов и пр.;

• расчета иных реологических характеристик.

Какая большая область применения! Конечно, мне захотелось больше узнать и о приборе, и как определить вязкость жидкости.

Проблема: отсутствие прибора вискозиметра в лабораторном оборудовании кабинета физики

Актуальность: тема «Вязкость жидкости» изучается в курсе физики поверхностно (отведено мало часов по программе). Прибор – вискозиметр в кабинете физики – отсутствует. Но спектр применения данного прибора очень велик. Он необходим при определении качества масел, жидкостей, продуктов, растворов, смесей, покрытий и т.д.

Цель исследования: определить коэффициент динамической вязкости жидкости с помощью самодельного вискозиметра.

Задачи исследования:

• изучить дополнительную литературу по данной теме

• изучить явление внутреннего трения в жидкостях

• экспериментально определить коэффициент внутреннего трения жидкостей: воды, сиропа, растительного масла

• исследовать зависимость коэффициента внутреннего трения от температуры

• сравнить полученные значения коэффициента внутреннего трения с табличными значениями

Объект исследования: вискозиметр

Предмет исследования: коэффициент динамической вязкости жидкости

Гипотеза: предполагаю, что результаты моих опытов с самодельным вискозиметром совпадут с табличными значениями динамической вязкости жидкости с небольшой погрешностью.

Методы: исследование, эксперимент, наблюдение, сравнение, анализ.

Основная часть

1. Разновидности и сферы применения вискозиметров [3]

Вязкость – характеристика, которая определяет величину трения слоев внутри жидкости, сопротивление между молекулами вещества при их движении. Чем меньше вязкость, тем более текучей является жидкость.. Лабораторное оборудование и приборы для определения вязкости выбирают исходя из свойств и температуры исследуемой пробы, а также необходимой точности испытания.

Виды вискозиметров:

• капиллярные;

• ротационные;

• вибрационные;

• ультразвуковые;

• приборы с падающим шариком.

Области применения вискозиметров чрезвычайно разнообразны [1]. В медицине используются капиллярные вискозиметры [9]. Так, например, острую актуальность имеет измерение вязкости человеческой крови. При тяжелой физической работе увеличивается вязкость крови. Многие инфекционные заболевания увеличивают вязкость, другие, например, брюшной тиф и туберкулез - значительно уменьшают. Любое изменение вязкости крови сказывается на самочувствии человека. Определение вязкости крови во взаимосвязи с рядом других анализов позволяет объективно оценить состояние человеческого организма. Вязкость крови в лабораторных условиях может быть определена и при помощи метода падающего шарика вискозиметрии.

В фармацевтических лабораториях вискозиметры используются при изготовлении лекарственных препаратов, патоки, мазей [10].

В нефтяной промышленности используются как ротационные вискозиметры , так и полевые чашечные капиллярные вискозиметры, позволяющие с достаточной степенью точности определить вязкие свойства нефти [12].

В химической промышленности и металлургии широко распространены универсальные, высокотемпературные вискозиметры, позволяющие оперировать со средами в широком диапазоне температур от -60 °C до 2600 °C [10].

В строительстве, а в первую очередь, в малярном деле, где специалист каждый день работает с лаками и красками, необходимо точно знать вязкость покрасочного материала для высококачественного результата работы. Ориентируясь на показания вискозиметра, мастер отмеряет необходимое количество растворителя. Также, с помощью специального технического вискозиметра определяют жесткость бетонной смеси [11].

В кулинарии и пищевой промышленности, к примеру, важно значение динамической вязкости расплавленного шоколада для идеального смешивания и покрытия продуктов. Соусы и подливы должны легко вытекать, но не растекаться по посуде [7].

1. Явление внутреннего трения в жидкостях

Вязкость (внутреннее трение) – это свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой [4].

Во всех реальных жидкостях (газах) при перемещении одних слоев относительно других возникают силы трения. Со стороны слоя, движущегося более быстро, на слой, движущийся медленнее, действует ускоряющая сила. Наоборот, со стороны слоя, движущегося медленнее, на более быстрый слой действует тормозящая сила. Эти силы, носящие название сил внутреннего трения, направлены по касательной к поверхности слоев.

Для явления внутреннего трения справедлив закон Ньютона (1687 г.):

η − коэффициент внутреннего трения (коэффициент динамической вязкости).

[η]=[ Па⋅с]

Коэффициент динамической вязкости зависит от температуры, причем характер этой зависимости существенно различается для жидкостей и газов. С повышением температуры коэффициент вязкости у жидкостей сильно уменьшается, а у газов, напротив, возрастает.

Наблюдается два вида течения жидкости (газа). В одних случаях жид- кость как бы разделяется на слои, которые скользят относительно друг друга, не перемешиваясь. Такое течение называется ламинарным (слоистым). Используемый в этой работе метод Пуазейля основан на ламинарном течении жидкости в тонком капилляре и позволяет измерить ее вязкость по объему вытекшей жидкости.

Согласно формуле Пуазейля [13], объем жидкости V, протекающий по капилляру длиной l и диаметром d за время t при разности давлений ΔР на концах капилляра, определяется следующим образом:

Коэффициент динамической вязкости η, как следует из формулы Пуазейля, определяется по формуле:

Практическая часть

Определение коэффициента внутреннего трения жидкости

Для изготовления вискози­метра своими руками я использовала бутылочки из-под аптечной перекиси водорода, покрыла их тонким слоем изолятора (для меньшей потери тепла). Также мне понадобятся: штатив для крепления, датчик температуры из комплекта цифровых датчиков «Точка роста», три жидкости (вода, сироп, растительное масло), секундомер.

В большинстве случаев измерение в вискозиметрах основано на наблюдении истечения жидкости, скорость которой зависит от вязкости по известному закону Пуазейля:

где – объем жидкости, протекающей в единицу времени через капилляр радиусом r под действием разности давлений при длине трубки .

1. В процессе экспериментов буду использовать три самодельных прибора: для каждой жидкости – отдельный прибор;

2. установлю изготовленный прибор на штатив так, чтобы под отверстие можно было подставить мензурку со шкалой;

3. определю высоту жидкости h₁ в приборе;

4. открою крышку прибора и с помощью секундомера определю время t вытекания некоторого объема воды, сиропа и растительного масла (70 мл);

5. после окончания измерений определю высоту жидкости h₂ в мензурке;

6. по данным измерений найду величину разности давлений:

7. определю объём жидкости, протекающий через капилляр в единицу времени:

8. определю коэффициент вязкости жидкости η:

(l=70мм , r=0,5мм; температура всех жидкостей была определена с помощью оборудования цифровых датчиков температуры «Точка роста»). Результаты всех расчётов занесу в таблицы.

Определение коэффициента внутреннего трения воды при температуре 24⁰С

Таблица 1

Определение коэффициента внутреннего трения воды при температуре 45⁰С

Таблица 2

Вывод: с увеличением температуры воды коэффициент динамической вязкости уменьшается.

Определение коэффициента внутреннего трения фруктового сиропа при температуре 24⁰С

Таблица 3

Определение коэффициента внутреннего трения фруктового сиропа при температуре 45⁰С

Таблица 4

Вывод: при увеличении температуры фруктового сиропа коэффициент динамической вязкости уменьшается.

Определение коэффициента внутреннего трения растительного масла при температуре 24⁰С

Таблица 5

Определение коэффициента внутреннего трения растительного масла при температуре 45⁰С

Таблица 6

Вывод: при увеличении температуры подсолнечного масла коэффициент динамической вязкости уменьшается.

Сравнение коэффициента внутреннего трения с табличными значениями

Таблица 7

Результаты в виде диаграммы:

Диаграмма 1

Вывод: сравнивая с табличными значениями коэффициент динамической вязкости, полученный мною, отличается (но в пределах допустимой погрешности!). Это объясняется тем, что опыты проводились не в идеальных условиях, и вискозиметр я придумала сама. Моя гипотеза подтвердилась.

Заключение

Тема вискозиметрии и её методов мало распространена и фактически не упоминается в повседневной жизни, но, по истине, прибор вискозиметр занимает достойное место в списке гениальных изобретений человечества!

Проанализировав все полученные и обработанные в таблицах результаты, я могу сделать вывод: коэффициент вязкости жидкости зависит от температуры: с увеличением температуры динамическая вязкость жидкостей уменьшается.

Измерение вязкости жидкости имеет важную роль в нашей повседневной жизни. Предположим, наша кровь слишком густая, то может возникнуть тромб и вызвать сердечный приступ или инсульт, или если кровь слишком жидкая, может начаться кровотечение, остановить которое бывает сложно в течение нескольких часов. Врачи должны знать о вязкости нашей крови при выполнении операций.

С другой стороны, при конструировании химического завода мы разрабатываем систему распределения воды по городской системе водоснабжения. Учитывая средний спрос на воду для города на любой данный момент времени, мы должны знать вязкость воды, каким будет водный поток? Каково давление в трубах? Какие размеры труб будут нужны для строительства? Может ли труба выдержать давление? Все это зависит от вязкости воды. Проблема становится еще более сложной в разработке химических заводов, где много разных жидкостей, кроме воды, и их вязкость должна также учитываться.

При транспортировке нефти по трубам необходимо учитывать вязкость нефти и зависимость этой величины от температурного режима в течении года.

Литература

1. Алтоиз Б.А., Дейнега В.Т. Влияние граничного слоя жидкости на эффективность теплообмена в системах с каналами малого сечения. Научно-технический сборник «Тепловые режимы и охлаждение радиоэлектронной аппаратуры». Одесса: Вып.1.- 2001.- С.15-18.

2. Газета «Физика-Первое сентября» №4, 2011г

3. Забодалова Л.А., Белозерова М.С. Инженерная реология: Учеб.- метод. пособие. – СПб.: Университет ИТМО, 2016. – 41 с

4.  Фейман Р., Лейтон.М.Сэндс. Фейнмановские лекции по физики. // Физика сплошных сред. - Москва: Мир, 1977-С253-257

Интернет-ресурсы:

1. http://remoskop/ru

2. http://www.viskozimetr.ru

3. https://tehpribory.ru/glavnaia/pribory/viskozimetr.html

4. https://modul-ves.ru/stati/viskozimetry/

5. https://ru.wikipedia.org/wiki/Вискозиметр

6. https://yandex.ru/images/

7. https://cyberleninka.ru/

8. http://www.spectrosystems.ru/methods/viskozimetr.shtml

9. https://studfile.net/preview/2147102/

12